Freisetzung von CNTs aus Kompositen quantifiziert
Forscher der ETH und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) haben ein neues Messverfahren entwickelt, um die Menge an freistehenden und (aus Matrix-Bruchstücken) herausragenden mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) zu quantifizieren. Die Ergebnisse ermöglichen erstmals eine Vorhersage bezüglich der Freisetzungsmenge von freistehenden CNTs. In einem Worst-Case-Szenario wurden bis zu 40 ppm an freistehenden CNTs ermittelt, was einem sehr geringen Anteil von 0,004 Gew% entspricht, aber dennoch deutlich zeigt, dass – zumindest im untersuchten Szenario – freistehende und herausragende CNTs freigesetzt werden.
Analytische Studien, welche sowohl die Quantifizierung von freien Nanopartikeln als auch die toxikologischen Untersuchungen der freigesetzten Teilchen aus Nanoprodukten untersuchen, sind nach wie vor selten zu finden. Die Autoren dieser Publikation präsentieren ein neues Messverfahren für freistehende und aus Bruchstücken herausragende mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT), welche aus einem MWCNT-Epoxidharz Nanokomposit mittels Abrieb freigesetzt wurden. Ein solcher Abrieb kann drei Arten von CNTs produzieren: CNTs, die vollständig in der Epoxid-Polymermatrix eingebettet sind, CNTs, die aus den Polymerpartikeln herausragen (partiell eingebettet) und freistehende CNTs. Letztere sind vollständig aus der Matrix herausgelöst. Die herausragenden und freistehenden Nanoröhren können eingeatmet werden. Gegenüber konventionellen Matrixmaterialien können Verbundwerkstoffe mit CNTs verbesserte Eigenschaften aufweisen. Diverse Produkte können dadurch beispielsweise neue elektrische Funktionen oder verbesserte mechanischen Eigenschaften erhalten. CNT-Verbundwerkstoffe werden bereits in verschiedenen Branchen wie Elektronik, Automobil, Energie oder in auch Sportartikeln verwendet.
Die neue entwickelte Analysemethode ermöglicht die verschiedenen Arten von Abriebpartikel der CNT-Komposite zu quantifizieren. Dieser Prozess erfolgt durch Markierung der CNTs mit Blei- (Pb) Ionen und der Messung der Bleikonzentration im abgetragenen Nanomaterial. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass zwischen eingebetteten und (teilweise) freistehenden CNTs unterschieden werden kann. Das Metallion an den MWCNTs wird durch Verwendung einer sauren Lösung desorbiert. Dieser Ansatz stellt sicher, dass nur die Pb-Ionen der freistehenden und herausragenden CNTs in die Lösung übergehen. Ein Gramm von einem der untersuchten Verbundwerkstoffen führte im schlimmsten Fall zur Freisetzung von etwa 40 μg herausragenden sowie 0,4 μg freistehenden CNT, was einem Anteil von 0,004 Gew% entspricht (freistehende CNT). Interessanterweise war die Menge an herausragenden und/oder freistehenden CNT in schlecht dispergierten Proben kleiner. Dies deutet darauf hin, dass die niedrige Energie des verwendeten Abrasionsprozess nicht ausreichte, um die CNT Agglomerate aufzubrechen.
Für die in-vitro-Toxizitätsstudien mit dem Abriebstaub, welcher freistehende MWCNTs enthält, wurden Zellen der Lunge, welche für die Luft-Blut-Schranke und zur Entfernung von Fremdmaterialien verantwortlich sind, verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass im Gegensatz zu reinen MWCNTs die Abriebpartikel keine akuten zytotoxischen Wirkungen herbeiführen. Dieser Befund kann durch die geringe Menge an freigesetzten MWCNTs begründet werden.
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Zitierte Studie: Carbon Nanotubes Released from an Epoxy-Based Nanocomposite: Quantification and Particle Toxicity. Schlagenhauf L, Buerki-Thurnherr T, Kuo YY, Wichser A, Nüesch F, Wick P, Wang J. Environmental Science & Technology.
Bild: multi-walled carbon nanotube (MWCNT). Source: Eric Wieser, WikiMedia Commons.